Instrumentul de editare genetică CRISPR câștigă Nobelul pentru chimie

Transformarea unui mecanism de apărare bacteriană într-unul dintre cele mai puternice instrumente din genetică le-a adus lui Jennifer Doudna și Emmanuelle Charpentier Premiul Nobel pentru chimie.

Premiul pentru aceste foarfece genetice, denumit CRISPR/Cas 9, este „un premiu fantastic”, a declarat Pernilla Wittung-Stafshede, membru al Comitetului Nobel pentru Chimie, la o conferință de presă susținută pe 7 octombrie la Stockholm de Academia Regală Suedeză. de Științe pentru a anunța premiul. „Abilitatea de a tăia ADN-ul acolo unde doriți a revoluționat științele vieții. Acum putem edita cu ușurință genomurile după cum doriți – ceva care înainte era greu sau chiar imposibil.”

„Foarfecele genetice au fost descoperite cu doar opt ani în urmă, dar au adus deja foarte mult beneficii omenirii”, a spus ea. „Numai imaginația stabilește limitele pentru ceea ce poate fi folosit acest instrument chimic în viitor. Poate că visul de a vindeca bolile genetice se va împlini.” Mai târziu, ea a modificat declarația pentru a spune că etica și legea sunt, de asemenea, importante pentru a determina ce se poate și ce trebuie făcut cu instrumentul, deoarece editarea genelor umane este extrem de controversată.

Doar alte cinci femei au câștigat vreodată Premiul Nobel pentru chimie. „Mi-aș dori ca acest lucru să ofere un mesaj pozitiv în mod specific tinerilor… fetelor care ar dori să urmeze calea științei și cred că să le arăt că femeile din știință pot primi și premii, dar, mai important, că femeile din știință pot au, de asemenea, un impact prin cercetările pe care le efectuează”, a spus Charpentier ca răspuns la o întrebare în timpul conferinței de presă.

Cei doi vor împărți premiul în bani de 10 milioane de coroane suedeze, aproximativ 1,1 milioane de dolari.

Instrumentul, un foarfece molecular programabil cunoscut sub numele de CRISPR/Cas9, a fost folosit de bacterii și arhei de milioane până la miliarde de ani pentru a lupta împotriva virușilor (SN: 4/5/17).

CRISPR înseamnă Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. În esență, aceste bucăți scurte și repetate din versiunea bacteriilor sandwich ADN din lista celor mai căutate de FBI – viruși invadatori. De fiecare dată când bacteriile întâlnesc un virus, iau o fotografie ADN din el și o plasează între repetări. Data viitoare când bacteriile întâlnesc acel virus, ei fac copii ARN ale fotografiilor. Aceste fotocopii de ARN fac apoi echipă cu un alt fragment de ARN cunoscut sub numele de ARN CRISPR trans-activator, sau tracrRNA, pentru a forma un buletin cu toate punctele cunoscut sub numele de ARN ghid. Ghid ARN-urile păstoresc enzima de tăiere a ADN-ului Cas9 către virus, unde enzima taie și elimină amenințarea.

Doudna de la Universitatea din California, Berkeley și Charpentier, acum director al Institutului Max Planck pentru Biologia Infecțiilor din Berlin, s-au întâlnit în 2011 la o conferință din Puerto Rico. „Ne-am plimbat prin Old San Juan și am vorbit despre CRISPR/Cas9”, și-a amintit Doudna în timpul unei conferințe de presă virtuale din 7 octombrie. Oamenii de știință au decis să facă echipă pentru a studia sistemul de apărare bacteriană și au ajuns să-l transforme într-un editor de gene. Inovația lor a fost de a fuziona ARN-ul cu ARN-ul tracr, creând un singur ARN ghid. Iar cercetătorii și-au dat seama că fotografiile nu trebuie să fie imagini moleculare ale virușilor. În schimb, înlocuind imaginea cu ARN care se potrivește cu o genă, oamenii de știință ar putea direcționa Cas9 să decupeze acea genă – sau orice genă, într-adevăr.

Foarfece moleculare

CRISPR/Cas9 este un instrument de editare a genelor din două părți, format dintr-un ARN ghid și o enzimă, Cas 9, care taie ADN-ul. Un ARN ghid aduce enzima într-un anumit loc din ADN-ul unui organism pe care cercetătorii doresc să îl taie (secvența vizată din această diagramă). Punctul este o potrivire chimică pentru ARN. Odată transportat la locul potrivit, Cas9 taie ADN-ul.

Cum funcționează CRISPR/Cas9

„Lucrul fundamental pe care l-au publicat împreună a fost citat de peste 9.500 de ori – aproximativ o dată la opt ore de la publicarea sa în 2012”, spune David Liu, biolog chimist și investigator al Institutului Medical Howard Hughes de la Universitatea Harvard. Liu și alții au modificat sistemul original CRISPR, astfel încât cercetătorii să-l poată utiliza într-o varietate de moduri.

Victoria a fost „extrem de așteptată. Cred că toată lumea a vorbit despre CRISPR [as a Nobel contender] de mult timp”, spune Luis Echegoyen, chimist la Universitatea Texas din El Paso și președinte al Societății Americane de Chimie. Chiar dacă perioada de gestație de la descoperire până la Premiul Nobel este de obicei mult mai lungă, premiul pentru CRISPR este „așteptată de mult”, spune Echegoyen.

Promisiunea CRISPR a fost imediat evidentă, spune Stanley Qi, un bioinginer și biotehnolog la Universitatea Stanford. În calitate de student în laboratorul lui Doudna, Qi a avut un loc lângă ring la descoperire și a știut atunci că CRISPR va face lucruri grozave. „În acești opt ani au fost atât de multe descoperiri și progrese”, spune el, „depășesc cu mult așteptările mele”.

Doudna și Charpentier „au continuat să se uite la categoria largă de enzime CRISPR”, spune Qi. Munca lor continuă a contribuit la o nouă perspectivă asupra evoluției și a mecanismelor din spatele modului în care funcționează sistemul bacterian. Munca lui Doudna de a defini structura și funcția enzimei Cas9 a pus bazele pentru îmbunătățirea acurateței și eficienței editării genelor, spune el.

Mulți cercetători au dus acum aceste foarfece genetice la pasul următor, folosind CRISPR/Cas9 pentru a tăia și edita gene în celulele umane. Oamenii de știință se bucură de cât de ieftin, versatil și ușor de utilizat este CRISPR. Cercetătorii l-au folosit pentru a edita gene la o mare varietate de animale, inclusiv câini (SN: 30/8/18), șoareci (SN: 1/26/17), fluturi (SN: 24/08/16), vaci (SN: 2/3/17), porci (SN: 8/10/17), melci (SN: 5/14/19) și țânțari.

Instrumentul a fost, de asemenea, folosit pentru a codifica date și a stoca filme în ADN bacterian (SN: 7/12/17). Plantele și ciupercile au primit, de asemenea, tratamentul CRISPR. Și editorul de gene a fost folosit pentru a reprograma celulele imune umane pentru a lupta împotriva cancerului (SN: 16/11/16) și să întoarcă celulele canceroase una împotriva celeilalte (SN: 7/11/18).

Odată cu marea putere a CRISPR, vine o mare controversă, a avertizat Doudna în cartea ei din 2017 O fisură în creație cu coautorul Samuel Sternberg. În timp ce editorul de gene ar putea fi folosit pentru a elimina speciile invazive și pentru a preveni țânțarii să poarte boli, ar putea, de asemenea, să provoace dispariția unor specii întregi sau să creeze dezastre ecologice. Oamenii de știință au eliminat deja populații mici de țânțari din laborator folosind o mașină de copiere moleculară bazată pe CRISPR, cunoscută sub numele de unitatea genetică (SN: 9/24/18).

Cel mai controversat, un om de știință din China a editat gene în embrioni umani, producând fete gemene în 2018 (SN: 28/11/18). Reacția împotriva acțiunilor sale a fost rapidă și vocală. Dar mulți oameni se tem că ușa este deja deschisă pentru „bebelușii de design”, inegalitățile în domeniul sănătății și alte abuzuri (SN: 17/12/18).

„Această putere enormă a acestei tehnologii înseamnă că trebuie să o folosim cu mare grijă”, a declarat Claes Gustafsson, președintele Comitetului Nobel pentru Chimie, la conferința de presă. „Dar este la fel de clar că aceasta este o tehnologie… care va oferi omenirii oportunități grozave.”

Cu mai multă speranță, studiile clinice care testează capacitatea CRISPR/Cas9 de a trata cancerul, siclemie, beta-talasemia și orbirea moștenită au început în 2019 (SN: 14/8/19). Dacă are succes, CRISPR/Cas9 poate oferi terapii sau chiar vindecări pentru afecțiuni genetice netratabile anterior.

CRISPR a jucat, de asemenea, un rol în pandemia de coronavirus, cu teste de diagnosticare bazate pe CRISPR pentru COVID-19 (SN: 31/08/2020) și terapii în dezvoltare.

Când Charpentier a primit vestea că este un nou laureat Nobel, „Am fost foarte emoționată”, a spus ea la o conferință de presă la Berlin după anunț. „Un lucru este să ți se spună de mai multe ori că poate într-o zi vei primi Premiul Nobel, dar altceva este când se va întâmpla.”

Charpentier speră că premiul va oferi publicului un mesaj „că cercetarea fundamentală este esențială”. CRISPR/Cas9 este „un exemplu perfect de descoperire care are un impact mare în științele vieții, în cercetare și dezvoltare, dar și în biotehnologie și producția de alimente, în medicină”, a spus ea. „Acest lucru provine cu adevărat din cercetarea pură, fundamentală – mergând foarte adânc în mecanismele vieții.”

Lucrarea lor „contestă ideea că cercetarea de bază și aplicată ocupă diferite domenii ale cunoașterii”, a spus Douglas Clark, decanul Colegiului de Chimie din Berkeley, în conferința de presă a lui Doudna. Ele „sunt țesute împreună, la fel ca ADN-ul”.

Doudna a spus că a aflat de câștigul ei când un reporter a sunat pentru a cere comentarii. Ea este prima femeie membru al facultății care a câștigat Premiul Nobel în istoria de 150 de ani a UC Berkeley, a remarcat Carol Christ, cancelarul universității. (Hristos a acordat, de asemenea, cel mai râvnit premiu din Berkeley, un loc de parcare gratuit în campus.) Doudna și Charpentier sunt singurele femei care împart premiul pentru chimie. „Sunt mândru de sexul meu”, a declarat Doudna când a fost întrebat despre semnificația primilor. „Cred că pentru multe femei există sentimentul că munca lor nu va fi niciodată recunoscută așa cum ar fi dacă ar fi bărbat. Vreau să văd această schimbare și sper cu siguranță că acesta este un pas în direcția corectă.”

Aproape toate premiile științifice pentru CRISPR/Cas9 i-au onorat pe Doudna și Charpentier. Unele premii au inclus și Feng Zhang de la Broad Institute of MIT și Harvard, care deține brevetul privind utilizarea editorului de gene pentru a face modificări în celulele eucariote, inclusiv în celulele umane și animale. Drepturile de brevet au fost contestate de instituțiile lui Doudna și Charpentier. Mulți oameni au crezut că premiul nu va onora munca pe CRISPR până când disputa de brevet nu va fi soluționată. (Zhang este membru al consiliului de administrație al Societății pentru Știință și Public, o organizație nonprofit educațională din Washington, DC, care publică, de asemenea Știri Științe. El este, de asemenea, un absolvent al Societății Regeneron Science Talent Search.)

Alți doi oameni de știință, Rodolphe Barrangou de la Universitatea de Stat din Carolina de Nord din Raleigh și Philippe Horvath de la DuPont Nutrition & Biosciences din Dangé-Saint-Romain, Franța, au fost, de asemenea, onorați pentru descoperirile legate de CRISPR. Cei doi au descoperit rolul natural al CRISPR ca sistem imunitar bacterian în timp ce lucra cu bacterii din iaurt la compania de ingrediente alimentare Danisco.

Și două premii majore — premiul Fundației Warren Alpert și premiul Kavli pentru neuroștiință — l-au onorat pe Virginijus Šikšnys, biochimist la Universitatea Vilnius din Lituania. Šikšnys a scris o lucrare independentă care descrie aceeași inovație făcută de Doudna și Charpentier, care a fost oprită în procesul de publicare și nu a ajuns în presă decât la trei luni după raportul echipei UC Berkeley.

Când a fost întrebat dacă alți oameni de știință au fost luați în considerare pentru premiu, Gustaffson a spus: „aceasta este o întrebare la care nu răspundem niciodată. Suntem extrem de fericiți pentru laureații din acest an. Este un domeniu mare și se face multă știință bună.”

Scriitoarea Maria Temming a contribuit la această poveste.